книги / Ультразвуковой контроль сварных соединений

Одно из основных преимуществ метода - возможность оцен­ ки формы дефектов размером 3 мм и более, которые отклонены в вертикальной плоскости не более чем на 0<1О°. При оценке формы дефектов необходимым условием является использование ПЭП одинаковой чувствительности. Метод нашел широкое при­ менение при контроле толстостенных изделий, когда требуется высокая надежность обнаружения вертикально-ориентированных плоскостных дефектов, а также при арбитражных оценках.

Рнс. 2.43. Контроль эхо-зеркальным методом:

1 - генератор; 2 - усилитель; 3 - ЭЛТ; 4 - ПЭП; 5 - шов

Рис. 2.44. Контроль зеркально-теневым методом:

1—генератор; 2 - усилитель; 3 - ЭЛТ; 4 - ПЭП; 5 - шов

Зеркально-теневой метод (рис. 2.44). При зеркально­ теневом методе признаком обнаружения дефекта служит ослаб­ ление амплитуды сигнала, отраженного от противоположной по­ верхности (ее обычно называют донной поверхностью) изделия. Дополнительным преимуществом этого метода по сравнению с теневым являются односторонний доступ и более уверенное об­ наружение дефектов, расположенных в корне шва. Оба эти мето­ да нашли широкое применение при контроле сварных стыков арматуры.

Дельта-метод. Здесь (рис. 2.45) используется ультразвуковая энергия, переизлученная дефектом. Падающая на дефект попе­ речная волна частично отражается зеркально, частично транс­ формируется в продольную, а частично переизлучает дифрагиро­ ванную волну. Трансформированная продольная волна распро­ страняется нормально к нижней поверхности, отражается от нее и улавливается прямым ПЭП. Этим же ПЭП будет улавливаться компонента продольной дифрагированной волны, срывающейся с верхнего кончика трещины и распространяющейся вертикально вверх. К недостаткам метода следует отнести необходимость за­ чистки шва, сложность расшифровки принятых сигналов при контроле соединений толщиной 15 мм. и менее, трудности при настройке чувствительности и оценке величины дефектов.

Рис. 2.4S. Контроль дельта-методом:

I - генератор; 2 —усилитель; 3 - ЭЛТ; 4 - ПЭП; 5 - шов

Наиболее достоверные результаты получают, если применяют СОП.с реальными дефектами. Применение СОП с искусственными дефектами, имитирующими трещины, может привести к ложным результатам: Это связано с тем, что искусственные дефекты имеют с торца сравнительно большую отражающую поверхность, поэто­ му процессы рассеяния УЗ-колебаний от искусственных дефектов могут резко отличаться от реальной картины рассеяния.

При любом Из перечисленных методов контроля можно, а иногда и необходимо применять два ПЭП, один из которых вы­ полняет функции излучателя, другой - приемника. Такая схема включения называется раздельной. Когда используется один

ПЭП, то в этом случае он выполняет функции излучения зонди­ рующих импульсов и приема эхо-сигналов и такая схема называ­ ется совмещенной. При эхо-зеркальном методе ПЭП включены по

совмещенной схеме, а также принимают сигналы по раздельной схеме. В этом случае схема называется раздельно-совмещенной.

Г ЛАВА 3

УРАВНЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОГО ТРАКТА ДЕФЕКТОСКОПА

Процессы генерирования, преобразования, приема и измере­ ния амплитуды ультразвуковых колебаний происходят в трех трактах дефектоскопа: электроакустическом, электрическом и акустическом.

Электроакустическим трактом называют участок схемы де­ фектоскопа, где происходит преобразование электрических коле­ баний в ультразвуковые и обратно. Электроакустический тракт состоит из пьезопреобразователя, демпфера, тонких переходных слоев и электрических колебательных контуров генератора и приемника. В электроакустический тракт нормальных искателей, работающих в контактном варианте, также входят протектор и слой контактной жидкости. Электроакустический тракт опреде­ ляет резонансную частоту ультразвуковых колебаний, длитель­ ность зондирующего импульса и коэффициент преобразования электрической энергии в акустическую.

В электрический тракт дефектоскопа входят генератор зон­ дирующих импульсов и усилитель. Он определяет амплитуду зондирующего импульса и коэффициент усиления.

Акустическим трактом называют путь ультразвука от излу­ чателя до отражателя в материале и от отражателя до приемника. Анализ акустического тракта сводится к расчету волновых полей излучателя, отражателя и приемника.

3.1. Акустическое поле преобразователя

Акустическое поле излучения преобразователя определяется давлением, которое создается преобразователем ц действует на элементарный приемник, помещенный в произвольной точке пространства перед • преобразователем. Будем считать длитель­ ность излучаемых акустических импульсов настолько большой,

что при исследовании акустического тракта колебания можно полагать непрерывными гармоническими. Вместе с тем будем считать импульсы настолько короткими, что процессы излучения и приема происходят в разные интервалы времени. Влияние ма­ лой длительности на акустическое поле преобразователя учиты­ вается в виде поправок. Для простоты расчетов разобьем всю площадь на элементарные площадки и в соответствии с принци­ пом Гюйгенса - Френеля будем находить звуковое поле в виде суперпозиции (суммы) волн, излучаемых элементарными источ­ никами ds (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Р асчет поля излучения круглого П ЭП

Расчет проведем для поля продольных волн в жидкости, а за­ тем введем необходимые уточнения, связанные с реальными ус-, ловиями контроля наклонными преобразователями. Возможность расчета акустического тракта в твердом теле без учета сдвиговой упругости (т.е. решение задачи для жидкостной модели) обосно­ вана И.Н. Ермоловым. Им показано, что подобное приближение справедливо при углах наблюдения QAB = 60° (параксиальная

область), а погрешность в расчетах не превышает 20 % (2 дБ). Амплитуду звукового давления в любой точке поля можно

определить с помощью формулы Кирхгофа, которая для излуче­ ния в полупространство записывается так:

При равномерном распределении колебательной скорости по поверхности пьезопластины величина Р0 как постоянная, а

функция 1/г как медленно меняющаяся могут быть вынесены за

знак интеграла. Тогда для модуля амплитуды акустического дав­ ления можно записать

Р_

(3.2)

Ро

Эта формула является интегральным представлением поля излучения преобразователя в полупространство.

Проследим поведение функции (3.2) по мере удаления точки наблюдения от дискового преобразователя. В непосредственной близости от пьезопластины амплитуда поля определяется дейст­ вием ближайших к точке В точек преобразователя. Здесь г = 0 и

®лв = 90°, cosO^ = 1 . Раскрывая неопределенность 0/0 по пра­

вилу Лопиталя, получим \Р/Р0\ = 1, т.е. вблизи преобразователя

амплитуда давления максимальна. Для любой точки на оси дис­ кового преобразователя выражение (3.2) решается так:

при sin(Aa2/4r) = 1. Это выполняется при ка2/(4г} = я /2 , откуда г = гб = а2Д . На еще более значительном расстоянии, когда

г » а2, справедлива запись

Рис. 3.2. Акустическое поле на оси круглого ПЭП: 1 - непрерывное излучение; 2 - импульсное излучение

Следовательно, на расстоянии, большем чем ближняя зона, интенсивность уменьшается по закону

Из выражения (3.5) видно, что .в дальней зоне акустический сигнал не испытывает осцилляций, а монотонно уменьшается с расстоянием. Этот закон справедлив- в области г » 3гб и с точ­

ностью до ± 2 дБ совпадает при г > 2г6 . Образование максиму­

мов и минимумов в ближней зоне объясняется разностью фаз сигналов, приходящих в точку В (см. рис. 3.1) от различных точек

преобразователя. Эти сигналы интерферируют один с другим, образуя суммарный сигнал в точке В. Период осцилляций опре­ деляется разностью фаз, кратной п .

Максимумы и минимумы заметно сглаживаются при. им­ пульсном излучении (см. рис. 3.2): чем короче импульсы, тем существеннее сглаживание. Это объясняется тем, что импульс­ ный характер излучения приводит, с одной стороны, к неполному гашению сигналов, приходящих в исследуемую точку 'поля-в противофазе, а с другой стороны, к уменьшению максимальных сигналов, приходящих в фазу. В ближней зоне сигнал осциллиру­ ет не только вдоль, но и поперек оси преобразователя. Энергия излучения в ближней зоне сосредоточена в пределах лучевой трубки, опирающейся на контур преобразователя. Среднее значе­ ние сигнала в сечении трубки длиной гб с погрешностью не бо­

лее 20 % равно Р0 .

Эти энергетические соображения лежат в основе весьма на­ глядного, но очень приближенного представления поля в ближ­ ней зоне в виде параллельного пучка лучей (плоская волна) (см. рис. 2.15). Расчеты и эксперименты [4] показывают, что вблизи излучателя и на границе ближней зоны существует об­ ласть, в которой концентрируется энергия УЗ-колебаний. Это можно видеть по сужению УЗ-поля (рис. 3.3). Ввиду такого эф­ фекта концентрации колебаний преобразователь обладает наи­ большей чувствительностью к дефектам, расположенным на глу­ бине г = гб

а/1

2,5

О

2,5

Рис. 3.3. Изменение интенсивности поля круглого ПЭП на границе

ив окрестностях ближайшей зоны

Вдальней зоне дискового излучателя известно асимптотиче­ ское представление интеграла в (3.2):

где х = aksinQ; а - радиус излучателя; /,(х) - функция Бесселя первого порядка

Подставляя это приближение в (3.5), получим выражение для модуля ослабления акустического давления в поле излучения:

Расчет функции Oo(tf&sin0), характеризующей диаграмму

направленности преобразователя, показан на рис. 3.4. Полное ослабление сигнала от 1 до 0 происходит в угловом секторе 20, который называют основным лепестком диаграммы направлен­ ности. Граничные значения угла 0 для основного лепестка опре­ деляются из условия /((дг) = 0, которое выполняется для диска

хорошо работают эмпирические аппроксимации формулы ДН, предложенные в НИИ Мостов ЛИИЖТА.

<E>a (a£sin0) = cos

v59o ,

где 0Ораскрытие половины основного лепестка ДН на уровне 0,8

и предложенные в ЦНИИТМАШ [49] Ф„(шЫп0) = 1,32_0-5(“*sin0>J

Ф„ ( sin 0) = si”9)',

где n = 0,14 для дискового пьезоэлемента и п = 0,17 для прямоугольного.

Для экспериментального получения ДН могут использоваться способы, показанные на рис. 3.5.

Основным недостатком. 1-го способа для снятия ДН наклон­ ных ПЭП является сложность обеспечения стабильной акустиче­ ской связи точечного приемника поперечных волн с цилиндриче­ ской поверхностью образца, рис. 3.5с. Необходимо применять густые контактные жидкости, обладающие упругостью сдвига. Недостатком второго способа является сложность изготовления образца и дискретность измерений, рис. 3.56.

Большими возможностями обладает способ исследования по­ ля прямых и наклонных ПЭП, предложенный В.Г. Щербинским, А.С. Красковским, В.М. Ушаковым. Схема, его понятна из рис 3.5в.

Испытываемый ПЭП устанавливается на одну грань образца таким образом, чтобы ребро, образованное этой гранью образца и ортогональной плоскостью, которая является измерительной, совпадало с. исследуемым продольным сечением акустического поля излучателя.

Поскольку ДН наклонных ПЭП симметрична относительно плоскости падения, то измерительную плоскость образца совме­ щают с плоскостью падения. Прием осуществляется любым при­ емником, перемещаемым на измерительной плоскости образца по дуге с центром, совпадающим с точкой ввода ПЭП.

Если установить наклонный ПЭП ортогонально ребру на

грань образца, ориентированную под углом 90° - а к измери­ тельной плоскости, то по предложенной схеме можно измерять ДН в дополнительной плоскости.

Предложенный способ позволяет измерять распределение поля на любом расстоянии от.точки ввода и в любом продольном сечении акустического пучка.